автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Фильтрационные свойства геотекстильных материалов

,* О и ^ -

ШИСТЕГСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ

гщгошшратйвный инстшт

На правах рукописи

НАДИШ АЛИ САЛЕХ

ЗИЛЫРАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ГЕОТЕКСТИЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

05.23.0? - Гидротехническое и мелиоративное строительство

Автореферат

диссергацки-на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1992

.¡Забота выполнена на кафедре гидротехнических сооружений Московского ордена Трудового Красного Знамени гидромелиоративного института.

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент

Мацея В.Ф. •

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Алексеев B.C.; • ,

кандидат технических наук, с.н.с. Ккреи'веча Л.В.

•Ведущая организация - "Мосгипроводхоз"

■ Защита диссертации состоится " X " июня 1992 г. в " " часов на заседании спзцнализированне го совета

в Московском ордена Трудового Красного Знамени гидромелиоративном институте по адресу: 127550, Москва, ул.Пря нишникова, 19, МГШ, ауд.

С диссертацией могло ознакомиться в библиотеке института. Автореферат разослан' " " 1992 года

Ученый секретарь

специализированного совета к.т.н., доцент.

С.Б.Кузьмин

: I

к

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

I ■

—Актуальность теьш. В перспективном плане развития народного хозяйства йеменской Республики предусмотрено около 200-х объектов гидротехнического строительства.

В настоящее время из них построено 12 и проектируются 28. Проектируемые объекты ориентированы преимущес1.. венно на создание аккумулирующих емкостей паводковых вод в целлх питьевого и промышленного водоснабжения, ирригации и подпитки подзе:шых водоносных пластов. Чрезвычайная ограниченность водных ресурсов существенно осложняет задачу и требует создания большого числа водохраншшщных гидроузлов и ряда ирригационных л дренажных систем.

На протяжении многих веков в Йемене накапливался опыт строительства плотин из грунтовых и других местных материалов, повышалась их прочность и надежность, совершенствовались конструкции. Поэтому не случайно, что от побережья Красного моря до границ пустыни Г^уб аль-Хали повсеместно можно встретить руины десятков небольших и относительно крупных древних плотин из грунта и камня. Их количество, местоположение и сохранившиеся детали свидетельствуют о высоком искусстве йеменцев в возведении водоподпорных сооружений для использования паподковмх вод ■ на хозяйственные нужды. Вершиной гидротехнического строительства древности безусловно'является Карибская плотина, .сохранившиеся части которой поражают высоким уровней принятых при возведении технических решений.'Этот пример показидает, какими.обширными инженерными знаниями и строительным мастерством обладали создатели этого уникального гидротехнического объекта.

В наши дни решается задача возрождения слотам водеснабженля

и ирригации на более высоком техническом уровне с использованием новейших научных разработок и материалов. Такой подход необходим прежде всего для повышения надежности и долговечности строящихся объектов,при условии их экономической эффективности. Решение вопросов надежности и долговечности объектов гидроэнергетического и гидромелиоративного строительства требует применения новых прогрессивных материалов, отличающихся простотой в изготовлении, технологичностью и эффективной работой в сооружениях. Наиболее полно перечисленным требованиям удовлетворяют геотекстильные материалы, которые в настоящее время широко используются в качестве защитных фильтровых подготовок под крепления береговых откосов водотоков и откосов гидротехнических сооружений, фильтров горизонтальных тр^бтатых дренажей мет лиоративных систем и систем дренирования подтопленных территорий, элементов конструкций дренажей плотин и дамб, а также для армирования земляных сооружений. .С одной стороны, использование геотекстилей позволяет существенно снизить стоимость сооружения за счет замены традиционных дорогостоящих многослойных гравийно-галечниковьк фильтров тонким слоем нетканого материала, а с другой, приводит к'возникновению специфических задач, связанных с их кольматацией и фильтрационными свойствами.

Несмотря на го, что гс текстиля заслужено признаны во всем мире как эффективный строительный материал, к настоящему времени из существует нормативных документов, строго регламентирующих расчет конструкций с применением геотекстиля. Ето отчасти связано с многообразием'типов-нетканых геотекстилей, хат&ктори-зуткхся широким спектром физико-механических свойств, что само по себе порождает большое количество омпиъических расчетных :за-

висимостей, применимых з узком диапазоне условий работы дренажных устройств. Кроме того, далеки от окончательного решения теоретические модели фильтрационных и суффсзионно-кольттаци-онных процессов в геотекстпльных материалах. Все это существенно осложняет работу проектировщиков при подборе типа геотекстильного материала в конкретных инженерно-геолсических и гидрогеологических условиях эксплуатации дренажей сооружений..

Вместе с тем, в настоящее время накоплен обширный фактический материал по особенностям работы нетканых геотзкстилей в конструкциях дренажей, основанный на результатах, многочисленных натурных наблюдений и экспериментальных исследований в лабораторных условиях. Попытки'обобщения'указанного материала пока не дали желаемых практических результатов. Сказанное позволяет стметить, что исследование фильтрационных и кольматацион-ных свойств нетканых геотекстильных .материалов, с целью накопления-данных йлк создания надежных методик их расчета, являются актуальной научной проблемой.

Целью работы является выявление осисан'лх закономерностей взаимодействия системы грунг-геотвкстиль с фильтрационным потоком и разработка расчетной модели геотекстильного фильтра в несвязных грунтах с учетом- физико-кзхпническнх особенностей характерных групп нетканых геотекстпльных материалов.

Для достиженйл поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- определить основные показатели, характеризующие фильтрационные свойства геотекстильных материалов, а кмечно: размеры гюр и их распределение, эффективную пористость при ]азли^чнх внешних нагрузках;

- изучить фильтрационные свойства наиболее перспективных материалов при различных направлениях фильтрационного потока и различных внешних нагрузках;

- исследовать явления кольматации геотекстильных фильтров на контакте' с несвязными суффоэионными и несуффозионными грунтами;

■ * )

. - разработать методику подбора геотекстильных волйкнлстых обратных фильтров дренажей и прогнозирования изменений их фильтрационных свойств в процессе эксплуатации;

- построить теоретическую модель суффозионно-кольматацион-ных процессов в системе груыт-геотекстпль для несвязных суффо-зионных грунтов с целью прогноза степени кольматации и связанного С этим снижения водопроницаемости фил»\'ра;

- разработать расчетную модель формирования естественного обратного фильтра в области, защищаемых несвязных грунтов,, непосредственно прилегающих к геотекстильному фильтру с использованием известных критериев суффозионной устойчивости грунтов.

Научная новизна и практическая значимость_работы. По результатам проведенных экспериментальных 'исследований установлены фильтрационные свойства нескольких видов серийно выпускаемых нетканых гестекетильных материалов, а также особенности их кольматации на контакте с несвязными несуффозионными и слабосуффози-онными грунтами. Использование аналогии с известными моделями фильтрации малсконцентрированных суспензий через зернистые фильтры позволило разработать теоретическую модель кольматации ге-огексгиля как однородной пористой среды,с учетом суффозионнос-хи защищаемого грунта. На основе анализа критериев суффозионной устойчивости несвязных грунтов разработана аналитическая расчет-

пая модель формирования естественного обратного фильтра на контакте грунта с геотекстилем. Модель позволяет оценивать степень кольматации геотекстиля за время формирования обратного фильтра в контактной зоне. Получена эмпирическая формула для расчета изменения водопроницаемости геотекстильного фильтра в зависимости от его насыщенности кольматантом.

Получены данные по измененшп размеров пор различных, волокнистых фильтрующих материалов при различных внешних сжимающих нагрузках. Полученные результаты лабораторных исследований, рас-, четные зависимости и методика расчетов позволили более'обоснованно и надежно проектировать конструкции дренажных устройств различного назначения, имеющих в своем составе нетканые геотек-стильныа материалы.

Апробация З^боты^ Основные положения диссертации докладывались на заседаниях кафедры "Гидротехнические 'сооружения" МГШ, на научно-технических конференциях МГМ4 1990, 1991 и 199?. гг.

На защиту выносится следующее:

1. Методика лабораторных испытаний фильтрационных свойств геотекстильных ттериялов.

2. Результаты экспериментальных исследований основных показателей, характеризующих-фильтрационные свойства геотексшлыых материалов, включая коэффициенты фильтрации, сжимаемость, пористость, распределение пор.

,3. Эмпирические зависимости для расчета изменения зодопро- . 'ницаемостм геотеястильних фильтров в процессе их кольштацад.

4. Математическая модель кольматации геотекстилькых филитров.

о. Матеклглческая модель формирования'естественного обратного фильтра на границе раздела груит-геотедсуиль.

диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и литературы. Диссертация содержи? машинописного текста, ¡53 рисунка и 12 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Б работе подчеркивается актуальность и важность рассматриваемой проблемы, обосновываются цель и задачи исследований.

В первой'главе рассматриваются современные тенденции практического применения геотекстильных материалов в дренажных кон-, струкциях гидротехнические, гидромелиоративных сооружений, основной модели системы грунтггеотекстиль в условиях установившейся фильтрации, фильтрационные свойства системы, а также методы экспериментальных исследований фильтрационных свойств геотекстильных материалов.

На основе анализа опыта эксплуатации .конструкции с геотекстилем в строительной практике, выделяем два направления использования гэотекстилей:

■ - в качестве обратных фильтров в конструкциях горизонталь' ых и вертикальных дренажей мелиоративных систем и гидротехнических сооружений, водозаборных скважин, фильтров под креплениями береговых откосов рек, судоходных каналов, верховых откосов плотин из грунтовые материалов, а также фильтрог в дреки-рукяшх слоях дорожных одежд и др;

. - для армирования Г1>,унта'с целью повышения устойчивости земляных мае? и нес/дей способности оснований сооружений, а также для снижения неравномерности деформаций земляного полотна автомобильных и железньи: дорог.

Детально . изучены ■ конструктивные особенности дренажных

элементов с геотекстилем на примерах конкретных сооружений. Как материал фильтрующих элементов дренажных конструкций геотекстиль применяется'в качестве фильтрующей оболочки дренажных труб или оболочки гравийного дренажного коллектора; в качестве одного из фильтрующих слоев многослойной дренажной конструкции в трубчатых или пластмассовых дренажах; з качестве самостоятельного дренажного элемента, выполняющего водоприемную и водо-отводящую роль в дренажах грунтовых откосов, для осушения насыпей, в пристенных дренажах и др.

Однако широкое использование новых эффективных конструкций дренажей.с применением фильтрующих геотекстильйых материалов сдерживается отсутствием достаточно надежной теоретической и экспериментальной базы.

Во второй,главе рассмотрены известные методы подхода к решению фильтрационных задач в сцчорсдных пористых средах, что позволило выделить три основные модели ламинарной фильтрации: капиллярную^гидравлического радиуса и силы лобового сопротивления. Детально изучены расчетные зависимости Н.Г.Пивовара, 'Козе-ни-Кармана, Хагена-Пуазейля и др. Исследованы возможности применения нелинейных.решений при фильтрации как в плоскости,так и нормально к плоскости полотна. ...

В результате анализа физической сущности процесса взаимодействия геотекстильного фильма с защищаемым грунтом выявлены характерные типы миграции твердых частиц на. гран'-.'де с фильтром: суффозия мельчайших частиц, проходящих сквозь поты геотекстиля 'в область дренэяа; кольматация фильтра мелко- л среднезернисти-ми частицами;' формирование переходного Тилотра на контакте грукт-. геотекти.чь за счет образования з речной структуры из крупнозер-

нистых фракций. В качестве, критерия формирования переходного фильтра рассмотрены зависимости Терцаги, Калона С-0. Давиде-кова Р. , Карова К.П., Малета С.Х., Таникачалама В.- ,и Вингера P.S. и Раина В.Ф.

Далее рассматриваются подходы к решению задачи о влиянии геометрической структуры пористой среды на ее фильтрационные свойства. Этому вопросу посвящены работы В.З.Мельцера, Ё.И. Митина,Д.М.Минца, Ч.Слихтера, Г.М.Коммунара и др. Анализ работ указанных авторов позволяет сделать вывод о возможности •описания фильтрационных свойств геотекстильных материалов идеализированными моделями пористой среды. При этом делается единственное допущение, связанное с особенностями внутреннего строения.нетканых волокнистых фильтров и с физико-химическими свойствами материала волокон. Во всех задачах, рассматривающих процесс кольматации геотекстилей несвязными грунтами учитывается только один механизм задержания частиц фильтром-механическая непроходимость.

В третьей главе приводятся основные характеристики экспериментального оборудования, излагается методика проведения опытов и дан анализ результатов. В задачу экспериментальной части работы входит определение сжимаемости геотекстильных материалов в Еодонпсыщенноы состояж'коэффициентов фильтрации при нагрузках от 2 до 300 кПа и движении потока в плоскости и нормально j: плоскости полотна; характеристик порового пространства при различных нагрузках; фильтрационных и противосуффозионных свойств геотекстилей на контакте с несвязными суффозионными и иее.уЩо;ионными грунтами; кольматирусмости волокнистых фильтров. Экспериментально исследовано четыре вида массово выпускаемых волокнистых иглсг.робиЕКЖ .штериллов iCDTEKC-I, СВТЕКС-2; Дор-

[т тип I, СИЗИ) и один экспериментальный перспективный мате-гал (двухслойный фильтр ВНИИГиМ).

Опыты проводились на фильтрационных установках с использо-шием приборов типа ,Царей и специально сконструированных комиссионных приборов для исследования водопроницаемости вдоль поперек полотна геотекстиля при различных нагрузках.

Анализ результатов экспериментальных исследований зависп-ости коэффициента фильтрации гестекстилей в плоскости и нор;:а-ьно к плоскости полотна, а также зависимости относительней тещины материала от нагрузки показывает, что при сжатии их водо-роницаемость и толщина значительно уменьшаются.' Этл процессы собо интенсивны в начальной стадии сжатия, при нагрузках ■т 2 до 100.. с 120 к!Ь, что обусловлено бне1рым изменением общего объема и размеров пор в фильтрующем материале, а также изме-(енйем их структуры. При дальнейшем увеличении нагрузок ( &> [00...120 кПа) »нт-;нсиеность сжатия материалов и уменьшения их зодопронииа.мости незначительны. Ьти процессы стабилизируются для всех исследованных материалов прк (э ± 260...320 кПа, т.е. !ри этих нагрузках наступает практически предельное сжатие материалов. - * .

Следу т отметить, что даже при большом сжатии ((э" = 300 кПа),

когда толщина испытуемых материалов уменьшается на ^0...80%,их водопроницаемость остается достаточно высокой. Так коэффициент фильтрации в плоскости полотна ^ -- 0,03...0,06 см/с = 26... 43 м/сут, а нормально к плоскости полотна 16...26 м/сут.

Наименьшей сжимаемостью обладает СВГЕКС тип 2, Дорниты и СВТЕКС тип I. Их предельное г.жатие составляет 70%. Сжимаемость двухслойного фильтра ВНИИГиМ и материала СИЗИ практически одинакова, а их предельное сжатие достигает 80%.

Няибельшую проницаемость и относительную толщину при проде-

Кн. ш/с

ою

от

- 0.06

пм

лог

о.оо

\ - " ~

«к

- в Л >

40

во

120

160

юо

2<Ю

т

¡20

560 б. к Па

Рис. 1- Ия«емсяиа коэффициента фильтрации геотекстильного ттериала под нагрузкой .А/?- У (Су) , при движении потока норг.алько к плоскости полотна:

И- Доряит, тип 2, 3000 прок./м2; • - СВТСКС, тип 2; А - СЗТЕКС, тип I; ® - "СИЗИ"; О- Двухслойный фильтр ВНИИГиМ

цельном сжатии, как в продольном, так л з поперечном направлениях, сохраняют СВТЁК'С-1 а Дорнит.

Следовательно, от л .материалы можно рекомендовать с-применению как в качестве обратных фильтров дренажей с трубчатым или граэийььш коллектором, так и и качества коллекторной части геотекстильного гориэонталпного ил л вертикального дренажа в' плотинах, отсыпаема из »«штлопронлцэемых грунтов-

На рлсунке I даны реь^ легаш исследований изменения коэффициента фильтрации геотекстильного материала под нагрузкой, при движении пстола нормально к плоскости полотна.

Для определения процентного содержания пор различного размера в образцах волокнистых фл^нтров проведены .исследования дифференциальной пористости в лаборатории иНШ'и',1 по известной методике на установке и приборах, разработанных И.В-Глазуновой и Л-В.Киреичерой-

■Сущность методики состоит в прлуенс-нии принципа капилляри-метра для волокнистых материалов.

Возможность использования этого принципа основана'на том, что жидкость в порах волокнистого ГМ улеживается за счет капиллярных сил и сил поверхностного натяжения. Зная величину поверхностного натяжения_насыщающей чидкости и создавая необходимые разряжения, можно определить размеры и процентное содержание освобождаемых при этом пор. Ступени создаваемого разряжения определяются по формуле

2 б"

Лр = — 7 (I) '

где ар перепад давления.,, Г1а; - поверхностное натяже-

ние жидкости, ^Дж/м ; 2 - радиус капилляра, мм.

Интегральные кривые пористости исследованных ГМ, определен-

ные с керосином, без скатил образца ( <э - 2 кПг.),при сжатии образца ( & = 20 кЕа и 6 - 80 к Па), представлены на рис.2.

При оценке пригодности геотекстильных воло-нистых материалов для устройства фильтров дренажей в различных грунтах. Важное значение имеют размеры пор фильтра, обеспеченностью 15, 50 и 90/о, т.е. <Jfs, и dgQ . Графики этих параметров для трех характерных видов исепцузьяос материалов представлены на рис.3>

Зависимости ¿¿=/{<5) , vid^ffG),

при <5*' = 2... 80 кПа, построены по опытным данным, приведенным на рис.2. Полученные данные-указывают, что величина размеров пор и характер ее изменения на начальной стадии сжатия в значительной степени зависит от вида геотекстиля. По-види>лжу, основную рояь здесь.играет толщина волокна исходного сырья, т.к. размеры пор тонковолокнистого материала бидим знччительно меньше аналогичных размеров в более грубых материалах СВТЕНС и Дорнит.

По мере сжатия геотексгилей различие в размерах пор всех видов геотекстилей быстро умзньппу.'.ся к при. & - 80 кПа, для крупных пор составпяет около 10%. Это обстоятельство, а

также аналогичный характер зависимостей и ,

Гу

позволяют принять предпосылку, что диаметры пор при <5" > 80 к Па уменьшаются пропорции ггсьно уменьшения толщины фильтра. Исходя из этой предпосылки/при 6" ^ ВОкПя выполнена экстраполяция зависимое гей показанная штриховыми линиями (см. p"c.JJ.

Полученные экспериментальные данные по размерил пор могуг быть использованы для оценки пригодности лчбых волокнистых иг-^опд обивных штериалпр в качестве фильтров дренажей различного назначения.

0,01 0,(14 0,05 0,06 0,08 0,1 М 0,2 0,3 0,% 8,5 В,6 М 1,0 Ряс. 2. ,, Интегральные кривые пористости еолокнлстнх фильтров: 1-бйдим; 2-СБТЕ<<С..тип I; 3-дорнит,тлп 2-"без сжатия; кривые 1а.-,. .За- то же при сжатии- = 20 кПа;.' кривые Iй.. ,Зб- то же пра сжатии" = 80 кПа;

а*

- диаметр пор фильтра.

- Ыи.ч : *—* - №№, nun I, ■—• - соришп, тип /

Рис з. Зодисимооть Шаметра пир штстт? df от сжимающих напряжений б.

Экспериментально исследована также эффективность работы волокнистых фильтров на контакте с гд-счаными и глинистыми грунтами. Исследования проводились в напорных фильтрационных кол-нках, позволяющих создать требуемые градиенты фильтрационного потока. Исследовались в работе пять видов геотекстильных матор.а-^ лов на контакте с тремя видами песчаных грунтов и с легким суглинком.

Опыты в песчаных грунтах проводились при градиентах -0,Ь...0,7 до градиенты в суглигке доводили с- по

10...20. Продолжительность каждой серии опытов определялась временем стабилизации фильтрационного процесса для каждой ступени изменения градиента и составляла 10. .Мб суток для песчаных грунтов л 30 суток для суглинка.

Степень кольматации фильтра определялась соотношением коэффициентов фильтрации в прифильтроьой лоне в конце и в начале каждой серии опытов, г. е. ф при ^11

вегственно, а также весовым способом по формуле

1 = е*~в* т%> {2)

* ч

где ¿Г и - вес сухого образца геотекстильного материалов до и после опыта соответственно. »

о

В результате анализа данных эксперимента установлено, что:•

- в песчаных гручтах степень колы.^тации ^¿льтроп по весу

образца составляет '¿...1о%, т.е. пракд..чески все исследовании1.!

ГМ не кольмат/рсвались., а л 1вь незначительное количестве мелких

частиц песка прсниколо в ворхник сло*> фильтра При зтон оецп-

)

нялась больийя водопроницаемость прифильгровой зоны грунта л ■¿»¡Петров. В бо^ьиинсть<з опкгоь с суф^огаончн'.'и пескам/. ! г рун? 1,2), по мере увеличения градиентов, имело упгло да^е нъхо -

торое уг-еличение водопроницаемости в приф»ш тровой зон«1. Зго по-видимому связано с перемещение^, мелких'^астиц грунт и-верхний слой фильтра и образованием переходного контактного слоя .'грунтового флльтра с большей водопроницаемостью)

-■ во зс::;с исследованных: песчаных грунтах эффективно работали все виды рассматриваемых гзотекстильных материалов. Вынос частиц грунта через фильтры в спыгач не наблюдался*,

- есовая кольматашя фильтров в суглинке составляла 10...

Известно, что при этом водопроницаемоегь фильтра снижается в 2-..3 раза, но, к^к показали наши опыты, она остается достаточно высокой (во много раз больше водопроницаемости суглинка) и обеспечивает надежную работу фильтра. Во всех опытах, даже при экстремалокых значениях градиентов (Ю. ..20), гольматация фильтров не вызывала уменьшения водопроницаемости участка "грунт-фильтр". Но при атом имело место проникновение мелких глинистых настиг, во всю толщину фильтров СВТЕКС-1 и Дор-нита. Однако такой процесс наблюдался лишь при градиентэхУ> 10, и для фгль?1ов, работающих в нормальных условиях (при выходных градиентах ( - I■ • • 2) практически не вероятен.

-Аналогичные результаты полечены в'лаборатории ВКИЙГиМ в . " гтанистых и суглинистых грунтах6 при укладке фильтров в неуплотненные грунты нарушенного сложения с'последующим приложением нагрузки (5* = 20 кПа. ■ '

Опиты с супесью прозолились"в лаборатории ВНИаГиМ, ■при укладке фильтров в рьп-'яый грунт без его уплотнения и нагрузки (к'удший случай с точки зрения кольмать фильтра) и с'нагруз-о кой б" = ¿О ¡\Па. ГрациЬи-гы в опытах'достигали 2 -3.

с ■ • ' ' . * о

Водопроницаемость системы грунт-фильтр {п,ля всех исследованных:» Гй! в супеси (в опытах оез нагрузки) уменьшалась в 2-..2,о

раза. При нагрузке 20 кПа, уменьшение водопроницаемости системы грунт-фильтр составило Зоо<1 для ГЫ СИЗИ и СВТЬ'КС-1, а для остальных ГМ было незначительным.

Анализ гранулометрического состава супеси в прифильтрор,сй зоне показал, что в рыхлой супе -м, кроме кольматации самих фильтров, происходило Накопление мелии^ частп грунта ( < 0,05 мм.) над фильтром, создающих слабоводопроницаемый экран.

На контакте с рыхлой супесью без нагрузки все вицы ГМ подвергались кольматации и работали недостаточно эффективно. При укладке фильтров в сухой грунт с последующей пригрузкой его ( б" = 20 к Па) материалы бидим, СИЗИ, СВТКК.С-2 и двухслойный фильтр ВНИЙГиМ работали хорошо, их колыдатацил б'ип. незначите-» л>ной. Предложена методика подбора типов геотекстильных материалов в качестве основы филитров в несвязных грунтах. Методика базируется на критерии подбора грунтовых обратных фильгр/эв.

В качестве определяющих используются критерии К.Терцага,-Т.С.Ингольда и Г.Хиртена. Рассмотрены практические примеры' использования предлагаемой методики для случаев контакта волокнистого фильтпа с несуффозионными и суффозионными несвязными грунтами.

В четвертой главе на основе анализа идеализированных-"мо"е-лей фильтрации в пористей среде предложена методика расчета изменения гюдс1роницасмости геотекстиля в условиях его кольматации. Исходя из предложения об идентичности внутренней структуры порэвего пространства нетканых геотекстильных материалов и однородной зернистой среды, сопоставлены оснсглыз функциональнее зависимости, описизаюпие изменение водопроницаемости фильтра, как функцию насыщенности пор ксльмиднгом. При зго?.; з качестве альтернатнзных рассматривались модели фл-'тивного грунта

(из сферических зерен или из цилиндрических границ), капиллярная, а также модель, рассматривающая пористою среду как систецу соединяющихся между собой сферических пор.

В результате сравнительного анализа в.качестве базовой для геотекстилзй предлзжена модель фиктивного грунта. В целом подоб ный подход вполне оправдан с точки зрения макроструктуры фильтрующего материала. Вместе с тем было бы неразумно искусственно переносить существующие модели на малоисследованный, материал без должного обоснования. С этой целью результаты испытаний гес. текстилей на кольматэцию, описанные в главе 3, использованы дл) выявления характера зависимости водопроницаемости геотекстильных материалов от насыщенности пор ;сольматантом.

Анализ показывает, чго в'рамках имеющегося объема экспери ментальных данных,'зависимость изменения коэффициента фильтрации ^отекстилей (имеются в виду только пять исследованных типов материала) от насыщенности пор кольматантом удовлетворител*, но описывается функцией

Этот вывод свидетельствует в пользу правильности исходных положений о применгмо^ти теории фильтрации малоконцэнтрированных суспенций через зернистые пори гие среды и, следовательно, 'моде--лк' фиктивного грунта к описанию фильтрационных свойств нетканых геотекстильных материалов. .

В п.'-той главе рассматривается ана.>югия между прюцессами койьштации пористых зернистых и геотекстильных фильтров. Ьто < позволяет применять к решению задачи кольматации геотекстиля

^ . ■ О ' ': '

математический аппарат, разработанный Ю. М.Шйстманом, Д'.;М.Минцем, Р.Ёлйассеном и др. Процесс кольттациии гео-.-'екс'гиг.ьногс

Лильтра, находящегося на контакте с несвязным суффозионным грунтом,описывается следующей системой уравнений

эсг да _ „ эь =

где Сг - концентрация взвешенных частиц в фильтрационном потоке, поступающем в геотекс ■■ильный фильтр. Система решается при. следующих^ условиях

Ь ', (ь)

где X ^ (х( -¿^ ) ость концентрация взвешенных частиц ~

в фильтрационном потоке.

Решение системы при этих условиях имеет вид

= " . (8)

Для определения величины концентрации взвешенных частиц во "входящем" фильтрационном потоке^ ( г £ ), отдельно рассматривался процесс суффозии защищаемого грунта. Соответствующее решение имеет вид

Общее решение относительно насыщенности после осреднения по толщине геотекстильного фильтра

Величина коэффициента кольнатации определена экспериментально л принимает значения от 0,^28 до £,¿02, в лг-.г.ясимссти от зернового состава защищаемого грунта и пористости рллыра.

В результате обобщения теоретических решений, описывающих структуру зернистых пористых сред, а разработка математическая модель формирования естественного обратного фильтра на контакте "грунт-геотекстиль" под действием фильтрационного потока.

В основу модели положен геометрический (структурный) критерий выкоса мелкозернистых фракций из скелета грунта в условиях установившейся фильтрации. Считая основной задачей геотекстильного фильтра форыирхшания обратного фильтра в.прилегающим слое грунта, исследованы возможности определения изменения фи' льтрационных свойств геотек^тиля за время формирования обратного фильтра в прилегающих слоях защищаемого грунта.

Для этого выполняется сопоставление кривых зернового состава грунтр' к распределения диаметров пор геотекстиля, которые при взаимном наложении дают точку пересечения.

последняя условно делит кривую зернового состава грунта на скелет и заполнитель. Такой подход позволил разработать алгоритм формирования естественного обратного фильтра в грунте на контакте с -геотекстилем с использованием известного критерия Терцаги. Алгоритм использует аппроксимацию кривей зернового сое-тав'. грунта в виде 'г

г.де Р - процентное содержание по весу частиц с диаметром меньше заданного; с1р _ соответствующий диаметр частиц; Си - коэффициент неоднородности грунта.

' процессе-расчета кольтгации геотекстиля частицами, поступающими с фильтрационным потоком в процессе формирования арочной структуры в приконтактной зоне, естественный обратный л фильтр делится на условные слои, толщина которых определяется

по формуле » _/->„

где - толщина £ -го условного слоя-

Для проверки работоспособности предлагаемой методики выполнены контрольные расчеты ¿.ольматации и соответствующих изменений водопроницаемости геотекстильных фильтров в оксперимен-• тах на кольматацию, описанных в третьей главе. В целом удовлетворительное совпадение расчетных и экспериментальных данных (расхождение не более 26%) свидетельствует о практической применимости разработанной методики.

Основные результаты исследований обобщены и изложены в виде расчетных методик, которые могут использоваться в практике проектирования дренажных конструкций, ^яботающих и условиях установившейся фильтрации.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

I. В работе показано, что ¡шогсобразие типов и свойств геотекстильных материалов послужило причиной отсутствия достаточно обоснованной методики оценки пригодности волокнистых фильтрующих материалов для устройства обратных фильтров дренажей. Существующие рекомендации в большинстве своем основаны на данных разрозненных экспериментальных исследований, когорт в настоящее время явно недостаточно дли рационального использования преимуществ нетканых геотекстилой в строкта-ьемо. Эт;> обусловило необходимость проведения соотпетсг вугдаих с»:<опо'р.<мвн-талыак исследований характерных пицов нетканых гее текстильных магер;илсв.

2. В результате проведенных исследований характерные видов нетканых геотзкетильных материалов в лабораторных условиях получены основные показатели, характеризующие их фильтрационные свойства при различных внешних нагрузках, а именно:

- коэффициенты фильтрации наиболее перспективных материа- • лев пр)И движении фильтрационного потока нормально к плоскости полотна и в плоскости полотна фильтрации .-

- сжимаемость волокнистых материалов;

- пористость материалов и распределение пор по .их размерам.

3. Анализ литературных данных и наши исследования показали, что наиболее пригодными для устройства фильтров являются волокнистые иглопробивные синтетические материалы. Наиболее устойчивы к различного рода химическим воздействиям, которые могут встретиться' в гр>унтовой среде, материалы из полиэфирных

• и полипропиленовых волокон.

4. Все исследованные нами ГМ обладают большой водопроницаемостью. При практически предельном сжатии ( & - 300 кПа), когда, толщина материалов уменьшается на 70...80%,их пористость . и водопроницаемость остаются достаточно высокими. Так,коэффициент фильтрации в плоскости полотна к'п - 26...43 м/с.ут, а • нормально к плоскости полотна (¿ц - 16.. .26 м/сут:

Наибольшую прони" аемость и.относительную толщину при предельном сжатии, как в продольном,так и в поперечном направлениях сохраняют СВТЕКС-1 л Дорниты. Но эти материалы подвержены наибольшей кольматации в связных грунтах. Материалы с' такими свойствами наиболее целесообразно использовать в качестзе кол-лекторнс" част ' горизонтальных или вертшзльныз. синтетических трехслойн'-к дренажей, в плотинах из малопроницаемых грунтов.

5. Синтетические волокнистые материалы обладают большой пористостью, которая даже при предельном сжатии составляет

60...по мере сжатия материала уменьшается не только общая его пористость, но и размеры пор. Следовательно, надежность работы дренажей с синтетическими фильтрами (предотвращение выноса суффозиснных частиц, контактного выпора, отслаи>зания связных грунтов) при больших нагрузках от дренируемого грунта будет повиваться.

6. Результаты экспериментов по кольматации геотекстильнкх фильтров на контакте с несвязными суффсэионными и несуффозион-ными груьтамл показали сравнительно слабую (2.. До*) степень кольматации геотекстилей по весу. При этом ксгльматяци'.! подвержен лишь непосредственно контактирующий с грунтом слой геотекстиля,' а водопроницаемость системы "грунт-геотекстиль" в целом остается достаточно высокой. Отсутствие выноса мелких частиц грунта свидетельствует о высокой грунтоне- чоницаемости исследованных образцов геотекстилей.

•7. На основе результатов наших исследований и известных методов (ВНИИГ и ВНШ ВОДГ'^О) подбора гранулометрического состава грунтовых обратных фильтров дренажей разработана методика подбора золокнистех геотексткяьных фильтров.

8. На основе анализа идеализированных моделей фильтрации в пористой среде предложена методика.расчета изменения водопроницаемости геотексгиля в условиях его ксль.мам.ции, использующая известную модель фиктивного грунта. Обоснована допустимость аналогии между процессами кольматации геотекегильных фильтров и однороглых зернистых фильтров в условиях фильтрации мал окон центрированных суспензий. Используя данные собственных экспериментов, получека емпкрл!ческая зависимости, с вязнет, ига я всдспроница-

емость геотзкстиля с насыщенностью пор кольматантом.

9. Разработана теоретическая модель с'уффозионно-кольыата-ционных процессов в системе "грунт-геотекстиль" для несвязных 'суффозионных грунтов. Модель основана на решении дифференциальных уравнений баланса вещества и кинетики задерживания взвеси в пористой среде- Полученное решение описывает изменение насыщенности пор геотекстильного фильтра кольматантом во времени в зависимости от параметров фильтрационного потока и зернового состава защищаемого грунта.

10. В peзvпьтaтe обобщения теоретических моделей, описывающих' структуру зернистых пористых сред, разработана математическая модель формирования естественного обратного фильтра на контакте "грунт-геотекстиль" под действием фильтрационного потока. Модель основана на использовании структурного;(геометрического) .критерия выноса мелких частиц через поровые каналы, образованные более крупными частицами неоднородного несвязного грунта. Полученные решения позволяют.рассчитывать объем колььатанта, поступающего в геотекстильный фильтр в процесс формирования сводчатой структуры на контакте с грунтом. Получено удовлетворительное совпадение расчетных и экспериментальных данных. Максимальное расхождение не превышает 2Ь%..

11. Применение разработанных методик позволяет рационально .проектировать конструкции дренажных устройств' различного назначения, имеющих в ст'оем составе нетканые геогекстильные материалы. Модели реализованы в виде расчетных методик, удобных для практического применения--

-.'2. Необходимо однако ответить, что пригодность того или иного БЭлоккистиго матери?та для фильтров дренажей определяет-

ся не только его водно-физическими свойствами.

Для ответственных дренажных конструкций гидротехнических сооружений необходимо более глубокое изучение химической и биологической стойкости и долговечности синтетических фильтров.

В конструкциях геотекстиль должен быть максимально защищен от прямого солнечного облучен'я, от разрушения корневищами растений и землеройными животными.

Выпускаемые промышленностью России ГМ имеют незначительно отличающиеся гидравлические характеристики, что ограничивает возможность подбора их, в зависимости от размеров фракций, дренируемого .грунта.

Для более широкого внедрения геотекстильных материалов. в практику гидротехнического строительства необходим промышленный выпуск материалов с большим диапазоном фильтрационных характеристик, особо по структуре пористости при различной степени сжатия.

Достаточно перспективными представляются исследовании и конструктивные разработки по следующим направлениям : -

- более полное изучение структуры пористости при различной степени сжатия ГМ и разработка на этой основе надежного способа оценки их пригодности для фильтров дренажей в различных грунтах, а также методики прогноза кольматируемости фильтрог,.;

- использование волокнистых ГМ в комОиниревинных.фильтрах с .песчаной обсыпкой;

- разработка способов зашиты синтетических фильтров от ко-льматации при укладке их п сложных погодных условиях а иодопа-свденнне грунты, например, путем обработки их полимерными жидкостями ;

- создание многослойных фильтров с подбором параметров по-ровой структуры слоив аналогично обратньш фильтрам из граве-листопесчаных грунтов;

- разработка технологии и оборудования для укладки волокнистых фильтров в различных дренажных конструкциях^

- использование ГМ в сочетании с другими материалами. Например, сочетание нетканого материала с армирующей сеткой, для одневременного дренирования и армирования грунтов, или с полимерной пленкой, для устройства противофильтрационных геомемб-рани др. .